Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния вопроса строительства вертикальных стволов 9
1.1. Анализ технологических аспектов проходки вертикальных стволов 9
1.2. Анализ основных направлений совершенствования крепления вертикальных стволов 24
1.3. Анализ современных исследований в области строительства вертикальных стволов 43
1.4. Выводы по главе 1 45
2. Исследование напряженно-деформированного состояния монолитной бетонной крепи в призабойном пространстве ствола 48
2.1. Постановка задачи исследования. Исследование прочностных параметров монолитной бетонной крепи 48
2.2. Разработка численной модели ствола 57
2.3 Сравнительное исследование напряженно-деформированного состояния твердеющей монолитной бетонной крепи в призабойной зоне ствола и крепи проектной прочности на протяженном участке 66
2.4. Определение составов бетонов с оптимальными прочностными и деформационными параметрами 78
2.5. Выводы по главе 2 81
3. Обоснование конструктивных решений по повышению несущей способности монолитной бетонной крепи минимальной толщины 82
3.1. Основные положения 82
3.2. Исследование эффективности крепления вертикальных стволов сталефибробетоном 86
3.3. Исследование работоспособности анкерно-бетонной крепи вертикальных стволов 94
3.4. Выводы по главе 3 117
4. Методика проектирования крепи вертикальных стволов при совмещенном способе проходки 118
4.1. Основные положения 118
4.2. Определение параметров напряженного состояния крепи проектной прочности 119
4.3. Анализ стадии твердения крепи в призабойной зоне 123
4.4. Определение параметров напряженного состояния крепи после анкерного упрочнения 124
4.3. Выводы по главе 4 129
5. Технологические схемы крепления вертикальных стволов. Экономическая оценка разработанных решений 130
5.1. Общие положения 130
5.2. Технология анкерного упрочнения монолитной бетонной крепи при проходке ствола по совмещенной схеме 131
5.3. Технология упрочнения монолитной бетонной крепи на протяженном участке ствола 139
5.4. Экономическое сравнение различных способов повышения несущей способности монолитной бетонной крепи 145
5.5. Технико-экономическая проверка разработанных решений по Анкерному упрочнению монолитной бетонной крепи 152
5.6. Выводы по главе 5 156
Заключение 157
Список использованных источников 162
Приложения 177
- Анализ основных направлений совершенствования крепления вертикальных стволов
- Сравнительное исследование напряженно-деформированного состояния твердеющей монолитной бетонной крепи в призабойной зоне ствола и крепи проектной прочности на протяженном участке
- Исследование эффективности крепления вертикальных стволов сталефибробетоном
- Определение параметров напряженного состояния крепи проектной прочности
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших задач экономики России в XXI веке является эффективное развитие горнодобывающей промышленности, направленное на сохранение и увеличение объемов добычи угля, рудных и минеральных полезных ископаемых.
Введение в эксплуатацию новых производственных мощностей характеризуется постоянным увеличением глубины разработки и протяженности вертикальных стволов, являющихся основными вскрывающими выработками горнодобывающих предприятий.
Глубина строящихся вертикальных стволов в нашей стране перешагнула двухкилометровую отметку при средних значениях 900 - 1200 м. На их долю приходится до 30% стоимости и до 50% общей продолжительности строительства шахты или рудника. Значительная часть этих затрат связана с креплением выработок.
В настоящее время в России и странах СНГ при проходке вертикальных стволов практически не имеет конкуренции совмещенная технологическая схема проходки, характеризующаяся возведением монолитной бетонной крепи вслед за подвиганием забоя ствола. С ростом горного давления и усложнением условий строительства возникает задача по повышению несущей способности бетонной крепи, решаемая на практике путем увеличения ее толщины, перехода на железобетонную или тюбинговую крепь.
С увеличением толщины монолитной бетонной крепи на каждые 5 см стоимость проходки стволов возрастает на 5...7%. Одновременно увеличивается объем выемки породы на 2...3%, возрастает расход бетона на 8...15%. При применении железобетонной крепи происходит снижение темпов крепления в 1,5 - 2 раза, увеличение трудоемкости работ на 30 - 40% и более. На крепление 1 м ствола затрачивается от 0,5 до 1,5 т металла.
Из практики известны и другие способы повышения несущей способности крепи, предусматривающие увеличение прочностных свойств материала крепи, переход на комбинированное анкерно-бетонное крепление и др. Более широкому применению таких технологий мешает ряд неразработанных теоретических и технологических вопросов, связанных с обоснованием оптимальных параметров крепи и технологии ее возведения.
Вследствие этого поиск и разработка прогрессивных способов совершенствования крепи вертикальных стволов при совмещенной схеме проходки, направленных на повышение ее технико-экономической эффективности, является актуальной задачей современного шахтного строительства.
Комплекс выполненных автором исследований посвящен обоснованию способов повышения несущей способности монолитной бетонной крепи стволов, возводимой по совмещенной технологической схеме.
Диссертационная работа выполнена в рамках темы НИР 17.05 «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияние этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность», выполняемой в Шахтинском институте ЮРГТУ (НПИ) по заданию Федерального агентства по образованию, а также в рамках реализации программно-целевых мероприятий Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, поддержанного Аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)» и Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (на 2009-2013 гг.)».
Целью работы является обоснование способов повышения несущей способности крепи стволов при совмещенной схеме проходки с использованием современных средств упрочнения, что позволит увеличить эксплуатационную надежность и технико-экономическую эффективность крепи.
Идея работы: повышение несущей способности и технико-экономической эффективности монолитной бетонной крепи вертикальных стволов достигается применением современных средств упрочнения материала и конструкции крепи: модифицированных бетонов, фибробетонов, анкеров контактного типа при сохранении минимальной толщины крепи с учетом стадии твердения бетона в призабойной зоне ствола.
Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий численное моделирование методом конечных элементов объемной задачи взаимодействия крепи с массивом пород в призабойной зоне ствола по мере подвигания забоя, лабораторные испытания бетона, статистическую обработку результатов испытаний, аналитические методы исследований работы крепи стволов, корреляционный анализ, технико-экономический анализ, опытно-промышленную проверку полученных результатов.
Защищаемые научные положения:
1. Отношение нормальных тангенциальных напряжений к прочности бетона крепи в момент отрыва опалубки нелинейно снижается при увеличении скорости твердения бетона за счет применения химических добавок на основе суперпластификаторов, необходимая концентрация которых определяется с учетом продолжительности проходческого цикла.
2. Включение в состав бетона крепи стволов стальной фибры в объеме 80 - 100 кг/м3 позволяет увеличить запас ее несущей способности на 12 - 18% при действии на крепь равномерных нагрузок и в 1,89 - 2,0 раза в условиях неравномерного загружения крепи. Запас несущей способности сталефибробетонной крепи по сравнению с обычной бетонной нелинейно возрастает с уменьшением модуля сдвига вмещающих пород.
3. В монолитной бетонной крепи толщиной 250 - 300 мм, упрочненной анкерами контактного типа длиной 1,5 - 2,5 м, при плотности их установки 1,0 - 2,0 анк./м2 происходит снижение средних нормальных тангенциальных напряжений, развивающихся в процессе взаимодействия с породным массивом до 15 - 19 %, а в наиболее нагруженном внутреннем слое крепи – до 28%.
Новые научные результаты, полученные лично соискателем:
1. Получено выражение для определения необходимой прочности бетона возведенной заходки крепи на момент распалубки в зависимости от величины проектной прочности, продолжительности проходческого цикла, свойств пород массива и бетона.
2. На основе полученных зависимостей прочности сталефибробетона при сжатии и на растяжение при изгибе от расхода фибры определен диапазон изменения запаса несущей способности сталефибробетонной крепи в условиях действия равномерных и неравномерных нагрузок.
3. Установлены зависимости коэффициента упрочнения монолитной бетонной крепи анкерами контактного типа от их параметров (длины, диаметра, плотности установки), а также отношения модулей общей деформации бетона и массива пород.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается высокими значениями коэффициентов корреляции полученных автором корреляционных зависимостей (0,91 - 0,94), удовлетворительной сходимостью результатов, полученных методом численного моделирования, с данными измерений других авторов, представительным объемом лабораторных испытаний различных составов бетона, проектными проработками и успешным внедрением результатов диссертационных исследований.
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния монолитной бетонной крепи в призабойной зоне ствола при различной скорости набора прочности бетона и темпах проходки, а также при анкерном упрочнении крепи.
Практическое значение работы заключается:
в разработке эффективных составов бетона для возведения крепи по совмещенной технологической схеме;
в обосновании параметров бетонной крепи минимальной толщины с высокой несущей способностью;
в предложенных автором технологических схемах установки упрочняющей анкерной крепи на различных этапах сооружения ствола.
Реализация работы. Основные результаты работы использованы ОАО «Ростовшахтострой» при разработке технологического проекта крепления вертикального ствола подземного рудника «Удачный» АК «Алроса».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на международных научных симпозиумах и конференциях: «Неделя горняка» (г. Москва, 2006 - 2009 г.г.); 54-58 научные конференции Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты, 2005 - 2009 г.г.); «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (ДонНТУ, 2006 г.); «Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород» (Восточноукраинский национальный университет им. Даля, 2006 г.).
Разработанная технология крепления стволов была представлена на «Всероссийской выставке – ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской Федерации», прошедшей в мае 2005 г. в г. Новочеркасске.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 155 наименований и 3 приложений. Содержит 176 страниц машинописного текста, 48 рисунков и 37 таблиц.
Анализ основных направлений совершенствования крепления вертикальных стволов
Современные условия сооружения вертикальных стволов характеризуются постоянным увеличением их глубины. Известно, что нагрузки на крепь вертикального ствола на глубинах 900 - 1000 м в 2 - 3 раза выше, чем на глубинах 300 - 500 м. Кроме этого высокое силовое нагружение крепи ствола на больших глубинах увеличивает разрушающее воздействие на бетонную крепь других факторов: влияния очистных работ и приствольных выработок, коррозии, высоких температур и др. [71]. Вследствие этого одной из основных задач является поиск конструктивных и технологических решений, направленных на повышение технико-экономических показателей проходки и эксплуатационных параметров крепи. В настоящее время при сооружении шахтных стволов в нашей стране в основном применяют монолитную бетонную и железобетонную крепи, реже крепят металлическими и железобетонными тюбингами [14, 81], весьма редко применяют набрызгбетонную, анкерную и деревянную крепи. Монолитной бетонной крепью в угольной промышленности закреплено 98%, в горнорудной - 95%, в горно-химической - 60% всех вертикальных стволов [118]. Данные цифры говорят о том, что монолитный бетон является доминирующей крепью, на основе которой стремятся разрабатывать новые технологии крепления стволов. Как правило, в шахтном строительстве применяется бетон классов В15 -В25, толщина крепи варьируется в пределах 300 - 500 мм, однако в сложных горно-геологических условиях может достигать 700 - 800 мм и более. Эти данные подтверждает анализ 31 проходки вертикальных стволов на шахтах ОАО «Гуковуголь», ОАО «Ростовуголь», ОАО «Обуховское», ОАО «Ростовшахтострой». В приложении 1 приведены сведения по литологическому составу пересекаемых пород, способам проходки, глубине, диаметрами и конструкции крепи стволов. На основании анализа этих данных получены следующие выводы. Стволы проходились на глубины от 172 м (вентиляционный ствол №1 ш. «Октябрьская-Южная») до 1125м (новый вспомогательный ствол ш. «Глубокая»). Диаметры стволов в свету изменялись от 5 до 8 м. В геологическом строении принимают участие породы четвертичного, неогенного и каменноугольного возрастов. Коренные породы представлены перемеживающимися слоями песчаников и песчаных сланцев, песчано-глинистых и глинистых сланцев, известняков и известковых сланцев, углей и углистых сланцев с преимущественно пологим углом залегания. Распределение пород по литологическому составу показывает, что 80% пород пересекаемой толщи составляют песчаники и песчанистые сланцы с крепостью f=6 - 15, отнесенные к I и II категории устойчивости согласно классификации СНиП [112].
Проходка стволов в коренных породах велась исключительно по совмещенной технологической схеме. Основные протяженные части стволов закреплены монолитной бетонной крепью толщиной 250 - 300 мм, повышение несущей способности крепи в необходимых случаях (большие глубины, вскрытие породных слоев с низкими физико-механическими характеристиками) осуществлялось за счет увеличения толщины крепи до 400 - 500 мм и более. В зоне влияния приствольных выработок, устьях стволов и др. сложных участках также применялся железобетон. Таким образом, основным направлением повышения несущей способности крепи является увеличение ее толщины или переход на железобетонной крепление. СНиП [112] допускается такой подход и рекомендуется изменять толщину крепи не более чем на 4 - 5 участках ствола. Однако на практике затруднен дифференцированный выбор толщины такой крепи из-за недостаточной информации о свойствах пересекаемых стволами ассоциаций пород и их изменений во времени, а также необходимости изменения паспорта буровзрывных работ на различных участках. В ряде работ была исследовано влияние толщины крепи и диаметра ствола на технико-экономические показатели проходки. Так в [123, 124] выполнен статистический анализ структуры стоимости строительства вертикальных стволов, который показал, что в общей стоимости строительства ствола затраты на крепление составляют от 32 до 48 %, а трудоёмкость работ по креплению изменяется от 5 до 15 % от общей трудоёмкости сооружения ствола, в зависимости от глубины ствола, его диаметра и крепости вмещающих пород. Стоимость проходки стволов прямо пропорциональна толщине монолитной бетонной крепи и с ее увеличением на каждые 0,05 м возрастает на 5 - 7%. Одновременно увеличивается объем выемки породы на 2 - 3%, возрастает расход бетона на 8 - 15 %. Автором были получены эмпирические зависимости стоимости и трудоемкости сооружения 1 погонного метра ствола (в ценах 1984 г.) от толщины монолитной бетонной крепи: 0421,121+0,436 8, 7М 03,003+0,0433 где 8- толщина крепи, мм. В работе [109] при анализе стоимости прохождения 1 м ствола в свету в условиях Карагандинского бассейна с различным диаметром в свету, различной толщиной и материалом крепи получены следующие зависимости: где D - диаметр ствола в свету, м; d - толщина крепи, мм; М — материал крепи (ж./б. — железобетон, б. - бетон); С - стоимость 1 мЗ ствола в свету (индекс показывает переменную величину), руб.; п - показатель кратности соответствующего параметра. Зависимость (1.1) показывает, что чем больше площадь сечения ствола, тем ниже удельная стоимость его проходки. Из зависимости (1.2) и (1.3) видно, что стоимость проходки ствола прямо пропорциональна толщине крепи, при этом при постоянных сечениях ствола в свету и толщине крепи стоимость прохождения ствола с монолитной железобетонной крепью на 30% выше, чем с бетонной крепью. На основании выполненных исследований авторами рекомендовано толщину крепи принимать по средним расчетным нагрузкам, а на участках с превышающими их нагрузками применять железобетон. Применение монолитных железобетонных крепей является наряду с изменением толщины крепи основным способом повышения несущей способности. Анализируя технологичность их возведения, следует отметить, что наличие в проектах их конструкций неунифицированных арматурных элементов обуславливает необходимость выполнения в стволе ручных операций (до 60%) по сборке арматурных сеток и каркасов с помощью дуговой электросварки или вязальной проволоки [57]. При их применении по сравнению с монолитным бетонным креплением происходит снижение тем- пов крепления в 1,5 - 2 раза, увеличение трудоемкости работ на 30 - 40 % и более. На крепление 1 м ствола затрачивается от 0,5 до 1,5 т металла. Кроме этого в условиях сложного напряженно-деформированного состояния (осевое и радиальное сжатие, поперечный и продольный сдвиг), железобетонные и металлобетонные конструкции, с двойными арматурными каркасами, применяемыми при креплении стволов, оказываются малоэффективными. [13, 93]. Более рациональным является радиальное армирование (рис. 1.4.) [13, 93]. Рабочая поперечная арматура 1 работает на растяжение препятствуя развитию растягивающих радиальных деформаций в крепи, создавая эффект объемного напряженного состояния бетона. Кроме того, поперечная (радиальная) арматура пересекает потенциальные поверхности скольжения, развивающиеся при разрушении, тем самым, повышая несущую способность крепи. Продольная арматура 2 и вертикальная 3 выполняют распределительную функцию.
Сравнительное исследование напряженно-деформированного состояния твердеющей монолитной бетонной крепи в призабойной зоне ствола и крепи проектной прочности на протяженном участке
В программном комплексе «Лира» были выполнены расчеты конечно-элементных моделей призабойного и протяженного участка при варьировании исходных данных согласно табл. 23, на основании которых получены количественные значения перемещений в узлах и все составляющие тензора напряженно-деформированного состояния конечных элементов крепи и породного массива.
Учитывая установленные закономерности набора прочности бетона в раннем возрасте и размер зоны активного влияния забоя при проведении исследования призабойного участка вариации подвергалась прочность бетона 7 ближайших к забою заходок крепи.
Скорость набора прочности бетона изменялась от минимально до максимально возможной в данном возрасте для бетонов класса В15 - В25 с пропорциональным приращением по каждой заходке согласно полученным логарифмическим кривым. Результаты расчета моделей показывают, что при размещении ствола в однородном породном массиве в крепи, прежде всего, возможно наступление предельных состояний 1 группы - разрушение бетона вследствие возникновения больших нормальных тангенциальных напряжений в ее сечении. Потеря устойчивости крепи не наблюдалась даже на больших глубинах, поэтому полученные данные о деформациях крепи далее отдельно не анализируются. Объемный тип моделей позволяет проследить динамику изменения напряженно-деформированного состояния крепи по мере ее удаления от забоя ствола, а также оценить влияние на этот процесс различных факторов.
С помощью документатора комплекса «Лира» вычисленные значения напряжений в конечных элементах формировались в виде табличного массива. В качестве примера в табл. 2.4 приведен пример такого массива, созданного для выборки конченых элементов внутреннего слоя крепи ствола первых семи заходок. В табл. 2.5 представлен пример статистической обработки полученных табличных массивов по определению максимальных сжимающих напряжений и принятого параметра несущей способности крепи в 1 - 7-й заходках крепи ствола при изменении скорости твердения бетона. Также для сравнения запаса прочности твердеющего бетона крепи и бетона, набравшего проектную прочность, был определен параметр несущей способности бетона классов В15, В20, В25 в 28-суточном возрасте на основании расчета численных моделей протяженного участка ствола с соответствующими прочностными характеристиками конечных элементов бетонной крепи. Остальные исходные данные оставались неизменными и были приняты: глубина ствола -700 м; диаметр ствола -6 м; модуль упругости пород - 20-103 МПа; коэффициент Пуассона пород - 0,3, продолжительность проходческого цикла- 24 ч.
Аналогичные данные были получены при варьировании других параметров согласно табл. 2.3. Толщина монолитной бетонной крепи оставалась постоянной и составляла 300 мм.
Оценку прочности монолитной бетонной крепи, с учетом малой величины вертикальных и радиальных главных напряжений можно произвести по условию [13] где о\ — величина главных нормальных тангенциальных напряжений в крепи; Rb — расчетное сопротивление бетона сжатию. Согласно (2.21) введем в исследование параметр относительной интен сивности напряжений в бетоне п , где о\ - максимальные нормальные тангенциальные напряжения в сечении крепи; -прочность бетона при сжатии в рассматриваемый момент времени.
Полученные данные о напряженно-деформированном состоянии крепи проектной прочности на протяженном участке ствола подтверждают мнение многих ученых о целесообразности применения в стволах высокопрочных бетонов. Увеличение класса бетона с В15 до В25 позволяет повысить несущую способность крепи в среднем в 1,3 раза.
Рассмотрим далее напряженное состояние твердеющей крепи в приза-бойной зоне. Результаты расчетов показывают, что наиболее интенсивному воздействию подвергается ближайшая к забою заходка крепи в момент снятия опалубки. В связи с этим выполнена оценка напряженно-деформированного состояния первой заходки крепи в момент отрыва опалубки в различных условиях. К бетону крепи дополнительно прикладывались снимаемые напряжения, возникающие при отрыве опалубки. Установлено, что основными влияющими факторами является скорость проходки и скорость твердения бетона.
Исследование эффективности крепления вертикальных стволов сталефибробетоном
С целью оценки эффективности применения сталефибробетона для крепления вертикальных стволов автором выполнен комплекс испытаний материала на сжатие и растяжение при изгибе. Во всех составах в качестве вяжущего был использован портландцемент ПЦ М500 ДО по ГОСТ 10178, с активностью при пропарке 38,0 МПа, густоте цементного теста 25 %.. Заполнители: щебень фр. 5-20 , соответствующий ГОСТ 8267-93; песок Мкр=2,5, соответствующий ГОСТ 8736-93; вода, соответствующая ГОСТ 23732-79. Исследования производились при изменении расхода фибры в пределах - 160кг/м3. На первом этапе исследований определялась прочность бетона и фиб-робетона на сжатие. Испытывались стандартные образцы размером 10x10x10 см согласно ГОСТ 10180-90. Приготавливалось по 10 образцов контрольного состава бетона и сталефибробетона. Характеристика контрольного состава и состава фибробетона при рас-ходе фибры 80 кг/м приведена в табл. 3.1. В результате исследований сталефибробетона также установлено, что его начальный модуль упругости в среднем на 13,6% выше, чем у обычного бетона аналогичного состава. На втором этапе исследовалась прочность сталефибробетона на растяжение при изгибе. Испытание производилось по балочной схеме с пролетом между опорами 450 мм двумя грузами по схеме, представленной на рис. 3.4. Прочность сталефибробетона на растяжение при изгибе для каждого образца определяется по формуле: 2 » 9 где R/ - значение прочности сталефибробетона на растяжение при изгибе z-го образца; п — число серий образцов в партии. Составы бетонов и число образцов приняты аналогично рассмотренным выше. Результаты испытаний сведены в табл. 3.3. На рис. 3.5 представлена полученная зависимость прочности сталефибробетона на растяжение при изгибе от процента фибрового армирования. Зависимость имеет гиперболический характер.
Таким образом, в результате испытаний установлено, что включение стальной фибры в количестве 0,5 - 2,0% по объему в состав бетона позволяет увеличить прочность материала на сжатие в 1,09 - 1,45 раз, а прочность на растяжение при изгибе в 1,06 - 2,56 раз, при этом при увеличении процентно- го содержания фибры Ксж возрастает по параболической зависимости, a Ru по гиперболической зависимости. На втором этапе исследований выполним сравнительный анализ области применения монолитной бетонной и фибробетонной крепи. Рассмотрим два варианта крепления: 1. Монолитная бетонная крепь толщиной 250 мм, бетон контрольного состава по табл. 3.1. 2. Монолитная фибробетонная крепь толщиной 250 мм, фибробетон с процентом армирования//=1,0%, (состав по табл. 3.1). Расчетные сопротивления бетонов определим по формуле [3]: где 0,75 - коэффициент перевода кубиковой прочности бетона в призмен- ную; Ксж, Ru — соответственно средняя прочность бетона при сжатии (табл. 3.2) и при растяжении при изгибе (табл. 3.3); vH - коэффициент вариации прочности бетона, принимаем нормативное значение vH =13,5%; 91 к - коэффициент запаса, для прочности на сжатие к =1,3, на растяжение при изгибе А: =1,5. В соответствии с выражением (3.3) получим: - при первом варианте крепи Rb l 1,1 МПа, i ,=l,04 МПа; - при втором варианте крепи і?г,=14,04 МПа, / ,=2,21 МПа; Исследования выполним в диапазоне исходных данных, представлен ных в табл. 2.3, при этом выделим следующие расчетные случаи: 1. Крепь загружается равномерной сжимающей нагрузкой. 2. Крепь загружается неравномерной сжимающей нагрузкой с коэффициентом асимметрии „=1,0 - 1,5. Анализ 1 расчетного случая выполним в рамках аналитического метода расчета крепи [13] по схеме контактного взаимодействия Запас несущей способности крепи определяем из выражения где сгт - средние нормальные тангенциальные напряжения в крепи. Далее находим коэффициент изменения несущей способности крепи из выражения
Определение параметров напряженного состояния крепи проектной прочности
Начальное поле напряжений в массиве в поперечном сечении ствола характеризуются постоянством горизонтальных (радиальных) напряжений где Л — коэффициент бокового распора пород, определяемый из выражения а - корректирующий коэффициент, учитывающий отставание возведения крепи от обнажения пород и физическую нелинейность деформаций массива до возведения крепи. Определяется из соотношения здесь кс - коэффициент структурного ослабления, учитывающий дополнительную нарушенность массива пород поверхностями без сцепления или с малой связностью (зеркала скольжения, трещины, глинистые прослои и т.п.). В случае пересечения разведочными скважинами всей толщи пород по протяженности выработки для пород с і? 30 МПа величину следует определять исходя из величины кусков, на которые происходит естественное разделение (разлом) керна в соответствии с данными табл. 4.1.
Для пород с і? 30 МПа и углей (в связи с возможностью нарушения керна при бурении поверхностям с большим сцеплением) величина Кс принимается по характеристике текто- нической нарушенности пород в месте расположения выработки или ее участка согласно табл. кдл - коэффициент длительной прочности, учитывающий снижение прочности пород за счет длительного нагружения. Значения кдл прини- маются по результатам исследований физико-механических свойств породы. Для оценочных расчетов кдЛ принимается по данным табл. 4.3. G\ - модуль сдвига бетона крепи, G\=0,4E\; с - коэффициент, характеризующий толщину монолитной бетонной крепи Напряжения на контакте крепи с массивом (нагрузки на крепь) Нормальные тангенциальные напряжения соответственно на внутреннем и внешнем контурах сечения крепи где m\um\ — коэффициенты, определяемые из выражений Далее оценивается несущая способность крепи из бетона проектной прочности. Определяются средние по сечению нормальные тангенциальные напряжения Условие прочности монолитной бетонной крепи В случае если условие (4.14) не выполняется, увеличивается проектный класс бетона крепи за счет применения составов бетона с химическими добавками, увеличивающими проектную прочность (табл. 2.8) или осуществляется переход на сталефибробетонную крепь с рекомендуемым процентом армирования 1 - 2% по объему (табл. 3.1) и расчет повторяется. где RT— прочность бетона на сжатие в рассматриваемый момент времени; К3 — принятый коэффициент запаса. Величина напряжений ат может быть определена в соответствии с рекомендациями [142]. Рекомендуемая прочность бетона 1 заходки крепи на момент распалубки в зависимости от величины проектной прочности находится из выражения где knp - коэффициент, учитывающий влияние прочностных свойств пород и являющийся функцией модуля сдвига, G0 (рис. 4.1); kt - коэффициент, учитывающий продолжительность проходческого цикла, t4, принимается по табл. 4.4. a, b - коэффициенты, зависящие от проектного класса бетона, принимаются по табл. 4.5.
